水平方向土方開挖對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

1、水平方向土方開挖對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響 摘要：現(xiàn)有基坑理論和軟件對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析計算，僅考慮垂直方向的土方開挖過程，對于水平方向的土方開挖過程是沒有考慮到的。本文分析土方水平方向開挖過程對內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力的影響，并結(jié)合工程實例，得出水平方向土方開挖過程對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力有較大的影響。 關(guān)鍵字：支撐內(nèi)力；土方開挖；支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力； abstract: the existing foundation theory and software of supporting structure of internal force calculation and analysis, only consi

2、der the vertical direction turkmen excavation process, for the horizontal turkmen excavation process is not considered. this paper analyzes turkmen excavation process horizontal inner supporting supporting structure system of the influence of the internal force, and combined with the engineering pra

3、ctice, the level that direction turkmen excavation process of supporting structure has a major effect of internal force. keywords: support internal force; turkmen excavation; supporting structure internal force; 中圖分類號：tv551.4文獻標識碼：a 文章編號： 在現(xiàn)有的基坑支撐內(nèi)力計算理論和軟件中，其支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力，包括支撐內(nèi)力，大部分是采用彈性法進行計算，對于周邊支護結(jié)構(gòu)荷載相同、

4、支撐體系采用對撐并沿具有較大剛度的腰梁或冠梁等間距布置時，支撐水平剛度系數(shù)kt 可按下式計算： （1） 式中：k 支撐結(jié)構(gòu)水平剛度系數(shù)； a與支撐松弛有關(guān)的系數(shù)，取0.81.0； e支撐構(gòu)件材料的彈性模量； a支撐構(gòu)件斷面面積； l支撐構(gòu)件的受壓計算長度； s支撐的水平間距； sa水平荷載計算寬度取排樁的中心距。 現(xiàn)行的基坑理論和軟件，都是假設(shè)一個開挖面的深度，然后根據(jù)開挖深度計算土壓力和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力，即僅考慮了垂直方向土方開挖的過程。對水平方向土方開挖的過程，也就是土方從基坑的某一側(cè)挖到另一側(cè)的過程，究竟這個過程對支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力有沒有影響？怎么樣影響？規(guī)范和軟件都是沒有考慮到的。支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)

5、力是否只跟開挖深度有關(guān)？下面舉個簡單的例子，說明對于采用內(nèi)支撐的支護型式，其支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力受水平方向土方開挖過程的影響十分明顯。 一個長方形的小基坑，長30米，寬15米，深5米，采用鋼板樁+內(nèi)支撐的支護型式，支撐間距5米，平面及剖面如下圖： 圖1基坑支護平面圖 圖2 基坑支護剖面圖 根據(jù)上述公式，鋼管的水平剛度系數(shù)kt為：（取0.8,a=5956mm2） =20.82.110559561000/(150005000)=26682n/mm =26.682mn/m 根據(jù)水平剛度系數(shù)計算結(jié)果，輸入軟件（理正深基坑）后計算，其內(nèi)力計算結(jié)果如下：頂部位移12.94mm，支撐軸力計算值n=321.32kn

6、，彎矩173.63kn/m，剪力69.56kn。 圖3 從圖3可以容易看出，鋼管內(nèi)支撐的水平剛度系數(shù)公式中，系數(shù)“2”就是由于鋼管的實際變形是基坑水平位移量的2倍，即基坑位移為，鋼管的軸力相當于壓縮了2的軸力，所以對于單元計算，要把鋼管剛度提高一倍來與鋼管實際內(nèi)力相一致。 上述計算結(jié)果是按照理想情況下，土方一次性同時挖到指定標高，支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的計算結(jié)果。但實際情況是，土方開挖水平方向不可能在整個支護結(jié)構(gòu)范圍同時挖到一個標高，只能夠一段一段局部的開挖，從基坑的一側(cè)一步一步的挖到另外一側(cè)。因此，對于大部分實際工程，土方開挖實際過程應該如下圖的的過程： 圖6 ：基坑右側(cè)先開挖，右側(cè)發(fā)生1的位移

7、，支撐產(chǎn)生大小為n1的軸力，同時對基坑左側(cè)施加了n1的預應力，左側(cè)發(fā)生往坑外2的位移，2相對于1較小。 圖7 ：基坑繼續(xù)往左邊開挖，基坑左側(cè)逐漸向坑內(nèi)位移，基坑右側(cè)位移逐漸減少，支撐軸力逐漸增加（n2n1）。 圖8 ：基坑兩側(cè)挖到坑底，基坑右側(cè)最終變形量為3，左側(cè)最終變形量為4，支撐最終軸力為n3。 從以上實際土方開挖過程可以看出，在號工況時，右側(cè)基坑已經(jīng)開挖到坑底，但左側(cè)還沒有開挖，這時候基坑支護結(jié)構(gòu)將發(fā)生如圖的位移，右側(cè)往基坑里面位移為1，左側(cè)網(wǎng)坑外位移了2，顯然12，鋼管支撐軸力為n1=ea*(1-2)/l。這時，對于右側(cè)支護結(jié)構(gòu)，其支撐剛度為k1=n1/1= ea*(1-2)/ (1*

8、l)，由于2相對1較小，則k1=k= ea/ l=83.384 mn/m,其水平剛度系數(shù)kt1為：kt1= k1*sa/s=13.34 mn/m?？梢钥闯?，單邊開挖時，其支撐的實際水平剛度系數(shù)僅約為理論公式值的一半，相當于僅開挖一側(cè)發(fā)生水平位移，另外一側(cè)基本不動。而對于左側(cè)支護結(jié)構(gòu)，相當于在開挖前施加了一個n1的預應力。 根據(jù)上述結(jié)論，在工況情況下，分別對基坑左右兩側(cè)支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行計算如下： 工況基坑右側(cè)內(nèi)力及位移：頂部位移1=21.95mm，支撐軸力計算值n1=273.7kn，彎矩126.82kn/m，剪力80.23kn。 工況基坑左側(cè)內(nèi)力及位移（施加n1預應力）：頂部位移2=0.67mm

9、，支撐軸力計算值n1=273.7kn，彎矩160.17kn/m，剪力54.72kn。 在號工況時，開挖面逐漸向左側(cè)推進，左側(cè)支護結(jié)構(gòu)由于土方的開挖慢慢的向坑內(nèi)移動，支撐軸力n2逐漸增加，右側(cè)支護結(jié)構(gòu)的位移由于支撐軸力的增加而慢慢的減少。 在號工況時，基坑兩側(cè)均挖到底，支撐軸力n3達到最大值，基坑左側(cè)的位移也達到最大值4?；佑覀?cè)位移3比剛剛開挖時的位移1略有減少，右側(cè)支護結(jié)構(gòu)彎矩和剪力都有增大。 工況基坑左側(cè)支護結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力：頂部位移4=7.4mm，支撐軸力計算值n3=376.13kn，彎矩212.42kn/m，剪力75.22kn。 號工況時基坑右側(cè)的位移及內(nèi)力的計算，相當于在原有n1的支撐

10、軸力基礎(chǔ)上，增加一個外來n=n3-n1=376.13-273.7=103.03kn的外力，此時，號工況時基坑右側(cè)位移及內(nèi)力：頂部位移3=20.96mm，支撐軸力計算值n3=376.13kn，彎矩172.72kn/m，剪力90.15kn。 經(jīng)計算，號工況時，基坑右側(cè)位移減少了約1mm，最大彎矩增大了約46kn.m，最大剪力增大了約10kn。 通過上述的計算，我們對基坑的計算結(jié)果進行梳理總結(jié)： “”表示由工況的內(nèi)力值漸變過渡到工況的內(nèi)力值。 從上表歸納情況可以看出，在考慮基坑水平方向土方開挖過程的影響下，支護結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力都比理想施工情況下要大。按照以上計算結(jié)果，實際情況與理想情況相比，支撐軸力

11、增大了17%，坑頂最大位移增加了62%，最大彎矩增加了22%，最大剪力增加了29%。因此，若不加分析的采用理想情況下的計算結(jié)果，往往會導致支護結(jié)構(gòu)的不安全，如果不是設(shè)計值與計算值還有一個1.25的系數(shù)，那么很多采用內(nèi)支撐的基坑將會出現(xiàn)安全事故。 而且，根據(jù)經(jīng)驗，主動土壓力并不是固定的，而是與支護結(jié)構(gòu)的位移有關(guān)，位移較小的支護結(jié)構(gòu)所受到的主動土壓力要比位移較大的支護結(jié)構(gòu)所受到的主動土壓力要大。采用內(nèi)支撐的支護結(jié)構(gòu)，一般位移較小，故主動土壓力一般較大，加上由于沒有考慮水平方向土方開挖過程導致的支護結(jié)構(gòu)偏不安全設(shè)計，基坑的安全度就更低了。因此，現(xiàn)有采用內(nèi)支撐的計算理論和軟件，由于沒有考慮到水平方向土

12、方開挖過程對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，其計算結(jié)果是偏不安全的。 由于實測數(shù)據(jù)不多，土方開挖對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響的對比也沒進行專門的試驗，因此上述結(jié)論是否普遍成立還有待進一步研究。但從一些相關(guān)基坑工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，的確出現(xiàn)支撐內(nèi)力遠大于設(shè)計值的現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生了支撐壓彎失穩(wěn)。 總結(jié)： 1、現(xiàn)有基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算理論及軟件均沒有考慮到水平方向土方開挖過程的因素，但從上文可知道，即使單純從理論分析，對于采用內(nèi)支撐支護的基坑，土方開挖過程對支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是有較大的影響，內(nèi)力一般要增大20%30%。 2、采用內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)型式的基坑，支護結(jié)構(gòu)位移量比較小，其實際主動土壓力一般比理論計算要大，加上支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算值的偏小，基坑安全度大大降低，故很多時候出現(xiàn)支撐軸力偏大甚至失穩(wěn)的現(xiàn)象，對基坑安全構(gòu)成極大的威脅。 3、從上述分析過程可知，土方水平方向開挖過程一般僅對采用內(nèi)支撐支護的結(jié)構(gòu)內(nèi)力有較大影響，對于采用拉錨的支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力一般影響不大。 4、若要考慮水平方向土方開挖的影響，需要進行多步的計算和比較，計算起來有點復雜，但只要把這個計算模式集合到計算軟件中，那么操作同樣簡單，而